1 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
2 中国工程物理研究院 研究生部，北京 100088
当前，科学计算的验证主要针对基于确定性偏微分方程组的网格离散方法。放电等离子体的粒子云网格PIC方法作为一种粒子-网格耦合的仿真手段，其验证方法具有显著不同的特点：第一，PIC仿真除了在时间和空间上进行离散，还需要对粒子数权重进行离散；第二，离散粒子的相空间分布函数是否适合作为验证研究的观测量；第三，粒子-网格耦合过程中的电场插值和电荷分配会影响PIC仿真的全局收敛精度。另外，当PIC方法与蒙特卡罗（MC）方法耦合时，离散误差和随机误差通常叠加在一起，理查德森外推需要结合系综平均进行。提出了一种分层级验证的方法。首先对单粒子轨道、电磁场求解、二体粒子碰撞进行收敛精度阶测试；然后采用空间电荷限制流、气体的傅里叶流动等具有精确解的经典物理模型分别对集成PIC、MC模块进行离散误差评估；最后采用放电物理过程对程序功能进行基准校验。
PIC方法 验证技术 精度阶测试 放电模拟 PIC method verification techniques order of accuracy test discharge simulation 强激光与粒子束
2024, 36(3): 033002
强激光与粒子束
2021, 33(3): 034004
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
研究了微秒脉冲聚焦微波束气体放电等离子体的动理学过程。数值模型基于自洽求解的微波电场亥姆霍兹方程、粒子连续性方程以及电子能量、气体分子振动能量和平动能量的平衡方程，并与等离子体动理学反应互相耦合。对比了国外报道的近期两项相关实验：次MW级X波段9.4 GHz微波氮气击穿和MW级W波段110 GHz微波大气击穿。在次MW级实验中，计算所得电子激发态N2(C3Πu)的数密度与实验所测发射光谱第二正带隙的强度一致；在MW级实验中，模拟结果重复了发射光谱测量所得振动温度和平动温度对放电气压的依赖关系。结果揭示了上述模拟和实验符合的内在物理机制。
高功率微波 气体放电 等离子体 能量平衡 发射光谱 high power microwave gas discharge plasma energy balance optical emission spectroscopy 强激光与粒子束
2018, 30(5): 053007
氮气分子的振动自由度在大气放电低温等离子体中会被高度激发。从振动能级的简谐振子模型和Boltzmann分布近似出发，研究重复频率脉冲放电中振动温度的变化行为。结果表明，决定重频条件下振动温度的主要过程是电子碰撞振动激发和振动-平动弛豫，而在振动能级高度激发的情形下其与氧原子的化学反应也会产生影响。对于振动激发过程，通过跃迁反比相似率推导出的特征弛豫时间与动理学模型符合较好。在振动-平动弛豫中占主导贡献的为干燥大气中的氧原子或潮湿大气中的水分子。当氧原子数密度为1014 cm-3时，若初始振动温度在5000 K，在化学反应过程中振动能量的特征弛豫时间在0.1~1 s量级。
大气放电 振动温度 弛豫时间 air discharge vibrational temperature relaxation time 强激光与粒子束
2016, 28(3): 035001
介绍了一种能够全面表征半导体二极管器件的电学特性的方法,此方法结合半导体二极管的正向交流特性和直流特性，称之为正向交流小信号法。利用该方法深入地研究和对比分析了GaN基和GaAs基半导体激光器的电学特性，包括表观电容、串联电阻和理想因子。实验结果表明，对于GaN基和GaAs基半导体激光器，其开始发光的过程同步于其电容由正转变为负的过程。进一步实验结果表明，GaN基半导体激光器比GaAs基半导体激光器具有更大的串联电阻和更大的理想因子。这是由于GaN基激光器的器件工艺不够完善以及外延生长的GaN材料具有很大的位错密度。该研究为提高和改善GaN基激光器的性能提供了必要的依据以及理论指导。
正向交流小信号法 半导体激光器 电学特性 AC I-V method GaN GaN GaAs GaAs semiconductor laser diodes electrical properties
由于必须经受高转速、高压、高温等苛刻的工作环境, 航空发动机零部件在服役一段时间后会出现磨损、磨蚀、变形、开裂等损伤而无法继续正常使用, 重新制造并更换这些被判定为失效的零部件将给用户造成巨大的经济损失和时间损失。三维激光堆焊技术作为一项先进的修复技术, 能够实现损伤零件的高性能、快速响应修复, 和传统氩弧焊等修复工艺相比, 由于具有零件本体变形小、热影响区小、修复后零件性能几乎无损失等特点, 近年来该技术成为制造领域的研究热点并在航空发动机制造与大修中逐步开始获得应用。本文针对航空发动机叶片与热端部件的修复, 分析了影响三维激光堆焊技术获得工程应用的关键问题, 包括: (1)基于叶片损伤部位三维反求与重建数模的叶型精确堆焊与加工。(2)叶片本体与修复区界面处受热后裂纹。(3)定向凝固叶片/单晶叶片修复区组织的选择与控制。(4)激光修复后残余应力的消除及零部件本体的变形控制。在此基础上进一步评述了以上关键问题的解决途径。
叶片 三维激光堆焊 型面控制 裂纹 定向凝固/单晶 应力/变形 blades 3D laser deposition geometry controlling cracking directional solidification/single crystalline stress/distortion
中北大学信息探测与处理技术研究所，山西太原 030051
文中以光电检测技术为基础，完成了柱状机械零部件的激光扫描检测以及其三维重构系统的设计。传统的测量方法，会使被测物体表面发生微小变形，导致测量精度下降。光学技术的引入，实现了非接触测量。激光更是由于其速度快、精度高、量程大、抗光电干扰能力强得到了广泛的应用。文中实现对柱状机械零部件的外径、高度的快速准确的测量，及曲面的三维重构。该系统切实可行、操作简单，可以精确地恢复出二维图像检测方法所不能提供的物体的位置、几何形状等三维信息。
激光检测 最小二乘拟合 三维重构 laser detection least-squares fitting 3D reconstruction
中北大学 信息探测与处理技术研究所, 山西 太原 030051
以计算机视觉理论为基础, 研究了基于立体视觉的三维重建技术。 早期的三维重建技术受到理论研究水平的限制, 建模过程需要专用设备如视觉坐标测量机来实现, 且摄像机的运动受到严格的限制。 在非特定环境下, 对不特定模型采用普通的数码相机进行三维重建。 该系统切实可行, 操作简单, 可以精确地恢复出二维图像检测方法所不能提供的物体的位置、几何形状等三维信息。
三维重建 张正友标定 SIFT匹配 3D reconstruction Grabcut Grabcut Zhengyou Zhang calibration SIFT matching
1 中国民航大学 理学院， 天津 300300
2 天津大学 理学院 物理系
3 光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072
以输运理论的P3近似为基础，推导了空间分辨漫反射的一阶散射参量灵敏度的解析表示，并进行了数值分析，比较了散射参量对P3近似和漫射近似漫反射的影响.结果表明：在距光源两个输运平均自由程以内，该灵敏度与相应于漫射近似的灵敏度差别较为明显；距离光源约四个输运平均自由程附近，该灵敏度等于零，并且与光源之距与相应于漫射近似情况也不同；该灵敏度等于零的源-探测器之距随组织散射参量增大而减小，且组织吸收越弱这种变化越明显.本研究对于在一阶散射参量灵敏度等于零处，利用漫反射获取组织吸收信息具有重要的理论意义.
漫反射 P3近似 灵敏度 Diffusing reflectance P3 approximation Sensitivity
陕西师范大学 生命科学学院,陕西 西安 710048
以菘蓝(Isatis indigotica)为实验材料,研究了He-Ne激光和增强UV-B辐射对菘蓝幼苗抗氧化系统的影响。结果表明:与对照相比,激光处理提高了SOD,CAT和 POD酶活性,降低了MDA含量,UV-B辐射降低了SOD,CAT和 POD酶活性,提高了MDA含量,而UV-B辐射后再进行激光辐照使上述参数得到了不同程度的恢复;与对照相比,激光、UV-B辐射和UV-B与激光复合辐射导致紫外吸收物提高,其效果依次为激光与UV-B作用>UV-B >激光。论文在此基础上讨论了其可能的形成机理。
激光器 菘蓝根 抗氧化系统 laser Isatis indigotica UV-B UV-B lesion
